大功率高压中频电磁可控源研制*

庞恒昌，尤 辰，罗凤强

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)

0 引 言

近几年我国大力发展海洋油气资源勘探，但是，目前还停留在浅海区域的开发。由于受到装备以及各种技术条件的限制，深海勘探还处于探索阶段。为了打破这种瓶颈，海洋电磁勘探迈出了第一步。海洋电磁勘探利用深水发射源在距离海底一定高度的地方进行电流激发，配合电磁采集站对海底电场和磁场的强度进行记录，最终根据采集的数据分析出海底的地质信息。

深水发射源是海洋电磁勘探的主要设备，它由勘探船通过铠装电缆对深水发射源进行供电，并在水下拖行工作。发射源在3～4 km的水下根据施工要求激发电流，最大激发电流可达1 000 A，属于大功率仪器。

如果使用普通船用380 V/50 Hz为发射源供电，由于船用电源电压较低，铠装电缆内的电流相对较大。大电流使铠装电缆产生的无功损耗远大于深水发射源的功率，而且电缆会产生大量热量。如果选定用船用电源供电，则对铠装电缆的技术要求非常高。由于船用电源是固定电压，但深水发射源需激发不同幅度的电流，这使深水发射源的设计和加工难度增大。因此研制一套大功率高压中频连续可调的甲板供电系统势在必行。

1 大功率高压中频电磁可控源整体框架

大功率高压中频电磁可控源的输入为普通船用380 V/50 Hz电源，输出为0～4 000 V/400 Hz的可调电压。可控源内部主要由主控单元和高压单元组成。

主控单元以单片机系统为核心，内部编写了系统控制程序并搭建了SPWM系列形生成电路，用于生成功能控制信号和SPWM序列信号。功能控制信号用于控制可控源的启动、关闭等一些基础功能；SPWM系列信号控制高压单元中逆变桥电路的逆变器件。单片系统添加了RS485接口和GPS接口。RS485通信用来接收上位机传输的控制信息，包括启动时间、输出电压等。GPS串口用来接收GPS授时信息和PPS信号，用来对比启动时间并精准启动输出。

高压单元将普通船用380 V/50 Hz电源进行整流滤波[1-2]，转换为单相电。整流滤波后，由两组逆变器件构成逆变桥电路。逆变器件根据主控单元生成的SPWM系列进行导通与关断，把单相电转换成幅度相等、宽度按可变化的电压脉冲系列。通过控制SPWM系列脉冲宽度和周期可对电压脉冲系列进行变压变频，然后经过感漏滤波可实现0～400 V/400 Hz的高压脉冲系列输出。最后，将高压脉冲系列通过10倍变压器升压实现0～4 000 V/400 Hz的电压输出，输出功率最大为200 kW。大功率高压中频电磁可控源的整体框架图如图1所示。

图1 大功率高压中频电磁可控源整体框架图

可控源将0～4 000 V/400 Hz的电压通过铠装电缆传输给深水发射源。当输出功率恒定时，高压输出使铠装电缆上的电流很小，也就降低了铠装电缆上的无功损耗，降低了产生的热量。因此，不但降低了海洋电磁勘探对铠装电缆的技术要求，高效率的可控源使深水发射源大功率发射得以实现。同时，可控源输出电压的可调性使深水发射源输出电流变为可调，降低了深水发射源的设计难度。

2 大功率高压中频电磁可控源设计

2.1 SPWM波脉宽调制的设计

SPWM波脉宽调制是大功率高压中频电磁可控源实现的关键技术，利用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形(即SPWM波形)控制逆变桥电路中逆变器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

通过改变PWM波的宽度，即维持他们的相对宽度，就可以改变可控源输出电压幅度，同时维持输入频率不变。通过改变PWM的周期，即维持宽度比例不变，就可以改变输出频率，可控源输出电压不变。当设置正弦波的周期为400 Hz时，即可使电源输出频率为400 Hz。

可控源采用主控单元编写程序和搭建波形生成电路生成正弦波和双极性的等腰三角波。将正弦波设置为调制波，将双极性的等腰三角波设置为载波。两波通过比较器进行比较，当正弦波幅值高于三角波时，输出正极性电压；当正弦波幅值低于三角波时，输出负极性电压。输出的序列即PWM序列，调制电路工作原理如图2所示。

图2 调制电路工作原理图

PWM序列经过驱动电路后控制逆变桥电路的逆变器件。逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按PWM序列的规律交替地导通和关断，产生高压PWM波。高压PWM波的幅值范围为0～400 V/400 Hz，是一种基频为400 Hz的波，这种波形的谐波能量很强，需要采用大功率的流感变压器和电容进行滤波[3-4]，经过变压滤波后可便可得到0～4 000 V/400 Hz的可调高压输出。

2.2 利用GPS秒脉冲同步可控源相位

在进行海洋电磁勘探时，要求可控源在启动时刻的输出电压相位为零[5]。为了解决这个问题，可控源以单片机系统为核心，采用了中断接口和RS485通信接口。将GPS的PPS(秒脉冲)信号接入单片机的外中断接口，通过中断程序不断捕捉PPS的上升沿。RS485接口用于接收上位机(控制系统)发送的命令，包括启动时间、发射电压、上限保护等。同时，单片机设置一个输出引脚为正弦波输出使能引脚，用来使能载波正弦波的零相位输出。GPS秒脉冲信号同步输出相位结构框图如图3所示。

图3 GPS秒脉冲信号同步输出相位结构框图

GPS在发送PPS信号的同时，会将实时的定位信息和时间信息发送给单片机系统，单片机对GPS发送的数据进行解析后可得出实时时间信息。单片机将设置的启动时间与实时时间作比较来判断是否到达启动时刻。一旦单片机中断接口捕捉到PPS的上升沿，并且实时时间为启动时间时，单片机将使能正弦波输出功能，使波形生成电路输出初始为零相位的正弦波。从而，实现了利用PPS同步可控源输出相位的功能。

2.3 系统保护设计

1)散热系统设计

大功率高压中频电磁可控源属于大功率源，最大功率可达200 kW。为了得到低失真的电源输出，可控源内部功率器件的开关频率设计的很高(8 kHz)，因此可控源产生的热量非常大[6]。并且，可控源内部使用的元器件耐温有限，如果不采取有效的散热措施，将会损坏器件。解决好可控源的散热是设计的一个关键点。

可控源采用水冷与风冷结合的散热设计，将逆变桥电路的逆变器件安装在水冷散热板上，通过水泵达到水冷系统中冷却液的循环。冷却水循环中设计了一处散热体，通过风扇协助散热体的散热，达到快速散热的效果。散热系统结构示意图如图4所示。

可控源内部逆变器件紧贴散热板安装，并与散热板之间涂抹了散热硅脂。当逆变器件工作产生热量时，温度较低的冷却液可吸收热量，再通过水循环将热量带走。当水循环内冷却液到达散热体时，风冷系统会对冷却液进一步散热，大大提高散热系统的效率。水循环水箱处安装有传感器，实时监控冷却液的状态，如果冷却液不足，可控源会发出警告并停止工作，确保可控源的安全。可控源内部安装多组散热风扇，将可控源工作时产生的热量排到仪器外，防止其内部温度过高。

图4 散热系统结构示意图

2)安全保护设计

大功率高压中频电磁可控源工作在高压、大电流条件下，如何进行安全保护措施的设计尤为重要。

在整体设计方面，可控源采用低压电路驱动高压电路，高压部分与人工操作部分完全隔离，弱电与强电隔离。在设备检测和调试时，工作人员只需在弱电部分操作即可，避免了高压伤害。

可控源电路中还设计有过压、过流、欠流、过热、短路等多种快速保护电路，一旦出现故障，在10 μs内切断系统电源。

在高压逆变电路方面，为防止逆变桥两组器件换相瞬间的短路，设计了死区保护时间[7]，互锁延迟时间通过外接电容、电阻值决定，互锁延迟时间的设置根据逆变的要求综合考虑。死区保护电路图如图5所示。

图5 死区保护电路图

保护死区输出时序图如图6所示。

图6 死区保护输出时序图

在死区保护电路中，利用RC电路充放电的特性，可延迟逆变器件的通断时间。在逆变接收到开通信号时，会对电容进行充电，当充电达到一定程度时，逆变器件才会开启导通，而充电时间就是死区时间。

逆变桥进行逆变时，换相脉冲非常大，是母线电压的4～5倍。若不消除尖冲，就会击穿逆变器件，对器件造成损害，因此吸释掉尖脉非常重要。稀释保护电路采用高压电容进行保护，可有效地降低换相时的脉冲幅度，并使输出变得平缓[8]。吸释保护电路图如图7所示。

图7 吸释保护电路图

3 应用效果

大功率高压中频电磁可控源目前已应用到海洋电磁勘探中试验中。可控源与深水发射源通过3 000 m铠装电缆进行连接，可控源维持1 600 V输出、输出功率45 kW长达十多个小时。可控源工作期间，性能稳定可靠，内部温度维持在安全范围。海洋电磁勘探试验期间，可控源最大发射电压达2 400 V，输出功率达92.8 kW，工作效率达到66%，能够满足海洋电磁勘探的需求。

4 结束语

新研制的大功率高压中频电磁可控源，具有无功损耗低，输出功率高，输出电压高等特点，降低了为深水发射源供电铠装电缆的技术要求，为海洋电磁勘探提供了可靠的电源供应。同时，可控源输出电压可调的特性使深水发射源的设计难度降低，对海洋电磁勘探的发展有参考价值。